DE19848737C2 - Lage- und Bahnregelung von Satelliten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lage- und Bahnregelung von Satelliten mit am Satelliten angeordneten strahlungsbeauf­ schlagten Flächen, die mit auf die Strahlungsquelle abge­ stimmten und veränderbarem Reflexionseigenschaften ausge­ bildet sind.

Die Lage- und Bahnregelung von Satelliten erfolgt über­ wiegend mit Hilfe von eigens hierfür vorgesehenen An­ trieben. Dabei wird gespeicherte Energie dazu genutzt, im Satelliten mitgeführten Massen einen Impuls aufzuprägen durch den sich diese Massen vom Satelliten entfernen und dem Satelliten einen Gegenimpuls vermitteln. Dieser ändert den Gesamtimpuls des Satelliten und beeinflußt dadurch seine Bahn oder Lage in der angestrebten Weise.

Die für diesen Vorgang erforderliche Energie kann aus unterschiedlichen Quellen stammen, beispielsweise aus einer chemischen Reaktionen oder einem radioaktivem Zerfalls­ prozeß. Es kann auch elektrische Energie eingesetzt werden, die zum Beispiel durch eine Photovoltaik-Umwandlung aus dem Sonnenlicht gewonnen wird. Auch die in der Sonnenstrahlung enthaltene thermische Energie wird für diese Zwecke genutzt.

Die bei diesen Vorgängen ausgestoßenen Massen sind entweder passive Materialien oder sie sind mit dem Energieliefe­ ranten, beispielsweise dem Treibstoff, kombiniert. Daher ist bei all diesen bekannten Verfahren zur Lage- oder Bahn­ regelung von Satelliten das mitgeführte Material mit der Zeit aufgebraucht. Soll eine längere Betriebsdauer erreicht werden, so muß die in die Umlaufbahnen zu transportierende Masse, die entweder beim Satellitenstart mitgenommen oder nachgeliefert werden muß, vergrößert werden.

Auch bei einem anderen bekannten Verfahren zur Lage- und/oder Bahnregelung von Satelliten, einer Bestrahlung vom Erdboden aus, durch die auf eigens hierfür vorgesehene Flächen Energie übertragen wird und es dadurch zu einer oberflächlichen Abtragung von sogenanntem Ablativmaterial kommt, ist die Mitnahme von eigens für diesen Zweck benö­ tigtem Material erforderlich.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, stellt es eine bereits bekannte Maßnahme dar, den Strahlungsdruck des Sonnen­ windes, einem von der Korona der Sonne ausgehenden Strom hochenergetischer Teilchen, im Sinne des sogenannten Solar- Sailing-Effektes auszunutzen. Dabei werden die Solargene­ ratoren in Abhängigkeit von der zu erzielenden Steuerwir­ kung gefaltet und/oder verdreht, so daß unterschiedliche Projektionsflächen der Solargeneratoren dem Sonnenwind zugewandt sind und dadurch unterschiedliche Drehmomente erzeugt werden können. In diesem Zusammenhang mit der Nutzung dieses Effektes ist bereits in der DE 33 29 955 A1 ein aktives System zur Lageregelung von Satelliten vorge­ schlagen worden.

Ferner ist nach der EP 668 212 A1 bekannt, eine Lage­ regelung von Satelliten mit am Satelliten angeordneten strahlungsbeaufschlagten Flächen durchzuführen, wobei die Flächen mit auf die Sonne als Strahlungsquelle abgestimmten Reflektionseigenschaften ausgebildet sind.

Nach der DE 33 23 145 A1 ist es weiterhin bekannt, zur Auf­ rechterhaltung eines geostationären in Äquator-Ebene liegenden Orbits eines Satelliten Sonnensegel vorzusehen, wobei dieses so orientiert wird, daß der Satellit unter Ausnutzung des solaren Strahlungsdruckes, der während eines ersten Teiles des Orbits in eine erste Richtung und während eitles zweiten Teiles des Orbits in eine zweite entegegen­ gesetzte Richtung segelt, um den Kräften, die den Satel­ liten aus seiner Äquatorumlaufbahn ziehen, entgegen­ zuwirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine effektive Bahnrege­ lung eines Satelliten erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flächen von einer erdgebundenen oder satellitengestützten Strahlungsquelle beaufschlagt werden.

Es wird ein passives System geschaffen und benötigt am Satelliten weder Solarsegel noch sogenannte Solar-Arrays und ist ohne aktive Komponenten, wie Motoren, einsetzbar.

Es entfällt somit nicht nur die Notwendigkeit, Material oder Energiespeicher zusammen mit einem Satelliten in die Umlaufbahn zu transportieren und es besteht die Möglichkeit, ausschließlich erdgebundene Ressourcen einzusetzen. Außerdem ist es möglich, Satelliten mit defekten Subsystemen vom Erdboden aus zu beeinflussen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden an einem bzw. an mehreren geeigneten Standorten auf der Erde Strah­ lungsquellen positioniert. Geeignet hierfür sind insbesondere Laser oder Spiegel, die das Sonnenlicht umlenken und auf das Ziel, den zu beeinflussenden Satelliten, aus­ richten.

Bei einem Einsatz herkömmlicher existierender Strahlen­ quellen, also keiner sogenannten Superlaser, oder von Spiegelsystemen analog zu den bei Sonnenöfen verwendeten, ist pro Quelle nur eine vergleichsweise beschränkte Inten­ sität verfügbar. Damit kann einem Satelliten innerhalb von einigen Minuten Bestrahlungsdauer nur eine verhältnismäßig geringe Beschleunigung vermittelt werden, wodurch eine ent­ sprechend längere Bestrahlungsdauer erforderlich wird. Es ist aber auch möglich, durch eine Totalreflexion in die Ausgangsrichtung der Strahlung und eine geeignete Einrich­ tung am Boden die reflektierte Strahlung erneut zu fokus­ sieren und wieder auf den Satelliten zu richten und damit den Impulsübertrag zu vergrößern.

Satelliten in einem geostationären Orbit können von der Erde aus nur unter einem relativ flachen Winkel zum Lot auf den Erdmittelpunkt bestrahlt werden, da als maximale theo­ retische Auslenkung nur der Erdradius zur Verfügung steht. Die relative Position der Strahlenquelle zum Satelliten ist in diesem Fall allerdings nahezu konstant. Satelliten in einem niedrigen Erdorbit können nahezu frontal, seitlich oder von hinten angestrahlt werden. Da sie sehr schnell über den Standort der Strahlenquelle hinwegwandern, so daß zwischen ihrem Auftauchen über dem Horizont und dem erneu­ ten Verschwinden hinter dem Horizont nur wenige Minuten verbleiben, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung für diesen Fall eine Bahnverfolgung mit der Strahlung über eine entsprechende Ansteuerung der Bodenstation vorgesehen.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung be­ steht in einem Einsatz mehrerer über die Erde verteilt angeordneter und miteinander verknüpfter Bodenstationen. Diese Anordnung ist insbesondere für die Bahn- und Lageregelung großer erdumspannender Satellitensysteme von Vorteil. Ihre abgestimmte gemeinsame Ansteuerung kann zum Beispiel mittels eines sogenannten Wide Area Networks erfolgen.

Als Störung für das erfindungsgemäße System kommen sowohl atmosphärische Störungen als auch Störobjekte im Strahlen­ gang, wie Flugzeuge und Vögel, in Betracht. Solche Störungen können den Strahl kurzfristig unterbrechen, geringfügig ablenken oder zu einer leichten Strahl­ aufweitung führen, wodurch sich die Effizienz nur gering­ fügig verringern würde.

Da die Strahlung nach dem Verlassen der Erdatmosphäre nur noch durch die Strahlaufweitung in ihrer Intensität ver­ ringert wird, ist die Anwendung der Erfindung nicht nur auf in einer Erdumlaufbahn befindliche Satelliten beschränkt, sondern auch für andere Bahnen geeignet. Auch ist es im Rahmen der Erfindung möglich, daß die Strahlungsquellen nicht auf der Erde, sondern auf anderen Himmelskörpern positioniert werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein erstes System zur Lage- und Bahnregelung von Satelliten,

Fig. 2 ein zweites derartiges System und

Fig. 3 ein Detail einer Ansteuerung eines Satelliten.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung handelt es sich um einen Satelliten 1, der auf einer vergleichsweise hohen, durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Umlaufbahn die Erde 2 umkreist. Am Satelliten 1 ist eine Reflexionsfläche 3 angeordnet, die unter einem Winkel zur Verbindungslinie zwischen Satellit 1 und Erde 2 ausgerichtet ist. Eine von einer auf der Erde 2 befindlichen, in der Figur nicht dar­ gestellten Strahlungsquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung trifft deshalb unter einem relativ flachen Winkel auf diese Reflexionsfläche 3 auf und wird praktisch voll­ ständig in den Weltraum reflektiert. Dem Satelliten 1 wird auf diese Weise ein Impuls vermittelt, der, wie in des Figur angedeutet, eine radiale und eine tangentiale Komponente in bezug auf die Satellitenbahn aufweist und der zur einer Veränderung der Position des Satelliten 1 führt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung umkreist ein Satellit 11 die Erde 12 auf einer niedrigen, wiederum durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Umlaufbahn. Am Satelliten 11 sind mehrere, im Fall des hier dargestellten Aus­ führungsbeispiels insgesamt drei, Reflexionsflächen 13 bis 15 angeordnet, die unter unterschiedlichen Winkeln zur Erde 12 ausgerichtet sind. Auch in diesem Fall wird von einer auf der Erde 12 befindlichen, in der Figur nicht dar­ gestellten Strahlungsquelle 16 elektromagnetische Strahlung ausgesandt. Je nach dem Stand des Satelliten 11 über dem Horizont - in Fig. 2 sind insgesamt drei unterschiedliche Positionen eingezeichnet - trifft diese Strahlung auf die Reflexionsflächen 13 bis 15 mit unterschiedlichen Winkeln auf und wird den Reflexionsgesetzen entsprechend in unter­ schiedliche Richtungen von diesen zurückgeworfen. Dement­ sprechend sind auch die Größe und Richtung der an unter­ schiedlichen Positionen auf den Satelliten 11 übertragenen Impulse und ihre Auswirkung auf den Bahnverlauf bzw. die Lage des Satelliten 11 sehr unterschiedlich, so daß sich auf diese Weise vielfältige Korrektur- und Beinflussungs­ möglichkeiten ergeben.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich durch Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung, die in bezug auf ihre late­ rale Erstreckung einen Intensitätsgradienten aufweist, bei einem Satelliten 21 ein für eine Lagekorrektur erforder­ liches Drehmoment erzeugen läßt. Dieses Moment wird dadurch erreicht, daß von zwei seitlich am Satelliten 21 angeordne­ ten Reflexionsflächen 22 und 23 eine Fläche 22 mit einer höheren Strahlungsintensität beaufschlagt wird als die zweite Fläche 23. Demzufolge ist der auf die Fläche 22 übertragene Impuls, wie in der Figur durch Pfeile ange­ deutet, wesentlich größer als der auf die zweite Fläche 23 übertragene, woraus der gewünschte Drehimpuls resultiert.

Die Erfindung ermöglicht auf diese Weise eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Satel­ liten, indem sie entweder die Mitnahme einer entsprechenden Masse beim Start der Satelliten ersetzt, was die Transport­ kosten senkt, oder aber die Lebensdauer von Satelliten ver­ längert, was eine längere Nutzung der Investitionen be­ deutet. Bei Satelliten mit gestörten Antriebssystemen ermöglicht sie zudem auf einfache Weise das Erreichen des vorgesehenen Zielorbits, so daß es nicht schon vor Inbe­ triebnahme zu einem Totalverlust kommt, oder sie ermöglicht das Beibehalten des Zielorbits trotz der Abbremsung durch die Atmosphäre, und verlängert dadurch die vorgesehene Lebensdauer. Schließlich gestattet sie eine Rückholung von Satelliten zu Reparaturzwecken, indem sie die Steuerung in einen Orbit für eine Begegnung mit einem anderen Raum­ fahrzeug, beispielsweise einem Shuttle möglich macht.

Bei geeigneter Dimensionierung der bodengebundenen Strahlungsquellen bezüglich der Anzahl der Stationen und deren Verteilung über die Erde, ist es möglich, auf einige der Satelliten-Subsysteme, die der Lage- und Bahnregelung dienen, zu verzichten. Andererseits wird bei der Instal­ lation derartiger Strahlungsquellen in den Satelliten einer Satellitenkonstellation selbst auf einfache Weise eine relative Positionierung der Satelliten untereinander möglich.

Als Energiequelle ist im Prinzip auch die Sonne allein geeignet; sei es, daß die bodengebundenen Strahlungsquellen aus Spiegelanlagen zur Sammlung und Fokussierung bestehen, oder, daß in einer Satellitenkonstellation die Sonnen­ strahlung umgelenkt wird. Durch eine geeignete Anbringung und Dimensionierung der Reflektoren kann auch die direkte Sonneneinstrahlung sinnvoll genutzt werden. Eine einfache Ausgestaltung einer solchen Anordnung kann die Verspiege­ lung der gegen die Flugrichtung gerichteten Satellitenober­ fläche und die Belegung der anderen Oberflächen mit diffus reflektierenden oder absorbierenden Materialien vorsehen.

Auch eine Kombination von bodengebundenen Strahlungsquellen mit einer solchen direkt auf die Sonne ausgerichteten, am Satelliten vorgesehenen Anordnung ist sinnvoll. Dabei kann beispielsweise die bodengebundenen Strahlungsquelle für eine Anhebung des Satelliten auf eine höhere Bahn einge­ setzt werden, während das am Satelliten angeordnete System für die relative Positionierung des Satelliten verwendet wird.

Claims (5)

1. Lage- und Bahnregelung von Satelliten mit am Satelliten angeordneten strahlungsbeaufschlagten Flächen, die mit auf die Strahlungsquelle abgestimmten und veränderbaren Reflexionseigenschaften ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (3, 13, 14, 15, 22, 23) von einer erdgebundenen oder satellitengestützten Strahlungsquelle (16) beaufschlagt werden.

2. Lage- und Bahnregelung von Satelliten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (16) von einem Laser gebildet wird.

3. Lage- und Bahnregelung von Satelliten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erdgebundenen Strahlungsquelle (16) von einer Spiegelanordnung gebil­ det wird.

4. Lage- und Bahnregelung von Satelliten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (16) mit einer Bahnverfolgungssteuerung ausgestattet ist.

5. Lage- und Bahnregelung von Satelliten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erdgebundene Strahlungsquellen (16) vorgesehen sind.